Мостовой усилитель мощности звуковой частоты (стр. 1 из 3)

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Уральский государственный технический университет – УПИ

МОСТОВОЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ

Екатеринбург 2004

Введение

Усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) предназначен для передачи сигнала от источника возбуждения в нагрузку с одновременным усилением сигнала по мощности. УМЗЧ можно рассматривать и как генератор, в котором энергия источника питания преобразуется в энергию переменного сигнала под воздействием входного напряжения определенной амплитуды. Поэтому УМЗЧ также называют генераторами с внешним возбуждением.

УМЗЧ в общем случае характеризуются параметрами:

· Pвых – выходная мощность;

· К – коэффициент усиления;

· КПД – коэффициент полезного действия;

· DF – диапазон рабочих частот;

· АЧХ – амплитудно-частотная характеристика;

· N – уровень нелинейных искажений;

· Ш – уровень собственных шумов.

В данной работе исследуется мостовой УМЗЧ, характерными особенностями которого являются:

· максимальное использование напряжения источника питания;

· большая выходная мощность, относительно других простых УМЗЧ;

· высокая устойчивость схемы;

· широкая полоса воспроизводимых частот в режиме номинальной мощности;

· сравнительно низкий коэффициент гармоник.

1. Техническое задание

· Спроектировать мостовой УМЗЧ, используя данные из журнала Радио №1/1992

· Технические требования к УМЗЧ:

Номинальное входное напряжение 0.35 В

Номинальная (максимальная) выходная мощность при сопротивлении нагрузки 4 Ом 16 (20) Вт

Номинальный диапазон частот 40…20000 Гц

Скорость нарастания выходного напряжения 25 В/мкс

Коэффициент гармоник при номинальной мощности на частоте:

20 кГц 0.35%

10 кГц 0.32%

1 кГц 0.32%

· Принципиальная электрическая схема мостового УМЗЧ

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема мостового УМЗЧ

2. Принцип работы схемы мостового УМЗЧ

УМЗЧ состоит из двух усилителей. Рассмотрим один из них выполненный на базе усилителя мощности. Транзистор VT1 работает в каскаде усиления напряжения, а остальные VT2‑VT5 (все с малыми напряжениями насыщения Uнас) образуют составной эмиттерный повторитель усиления мощности, работающий в режиме АВ (ток покоя 20…30 мА).

Диоды VD1 и VD2 улучшают термостабильность тока покоя. Транзистор VT3 обеспечивает необходимую раскачку транзистора VT5. С целью максимального использования напряжения источника питания в усилитель введены две цепи положительной обратной связи (ПОС) по напряжению. При положительной полуволне усиливаемого сигнала работает цепь R5R6C3, а при отрицательной R8R9C4.

Отличительная особенность такой обратной связи – введение ее в цепь коллекторов транзисторов VT2, VT3, что приводит к увеличению амплитуды сигнала на выходе усилителя до максимально возможной.

С целью уменьшения нелинейных искажений, обусловленных несимметричностью плечоконечного каскада и действием ПОС, усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению через цепь R1 – R4C1. Параметры этой цепи подобраны таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить стабильность режима работы усилителя по постоянному току (за счет действия гальванической обратной связи через резистор R4), а с другой – получить необходимый коэффициент усиления всего усилителя (R1, R4).Глубина ООС по переменному напряжению – около 28 дБ. Конденсаторы С2 и С4 обеспечивают необходимую устойчивость всего усилителя.

Поскольку описываемый базовый усилитель инвертирующий, то с целью упрощения схемы сигнал на второй усилитель поступает с выхода первого через делитель напряжения R10R11.

3. Подготовка загрузочного файла

3.1 Составление описания модели схемы

На данном этапе был изучен входной язык Pspace, команды выполнения проектных процедур, вспомогательные и сервисные средства, встроенные модели компонентов РЭС.

В исходной схеме проставляются узлы, которые являются основой описания схемы. Элементы схемы описываются с помощью, узлов к которым они подключенны и номинальными значениями. Причем резисторы и конденсаторы описываются непосредстванно, а для диодов и транзисторов необходимы их модели, которые находятся в электронных библиотеках.

3.2 Выбор проектных процедур анализа

3.2.1 Карта опций

OPTIONS ACCT NOECHO NOPAGE RELTOL=0.0001

ACCT – обеспечивает в выходном файле статические сведения о моделируемой схеме и информацию об использованных вычислительных ресурсах – процессорным временем для выполнения различных процедур анализа;

NOECHO – запрещает печатание входного файла в выходном;

NOPAGE – запрещает нумерацию страниц, печатание титульной строки и заголовка для каждого вида анализа в выходном файле;

RELTOL – устанавливает относительную погрешность напряжения и тока.

3.2.2 Карта установки шины печати

WIDTH OUT=80

Число 80 устанавливает количество колонок в выходном файле.

3.2.3 Карта установки температуры

TEMP 27 –60 80

Эта карта необходима для того, чтобы все виды анализа выполнялись при трех разных температурах.

3.2.4 Карта для вычисления чувствительности на постоянном токе SENS V (13,18),

где V (13,18) напряжение на нагрузке.

При использовании этой карты вычисляются малосигнальные чувствительности выходных переменных к изменениям внутренних параметров на постоянном токе.

3.2.5 Расчет коэффициента передачи в режиме малого сигнала TFV (13,18) VIN,

где VIN генератор входного сигнала. С помощью этой директивы рассчитываются малосигнальный коэффициент передачи по постоянному току, входное и выходное сопротивление усилителя.

3.2.6 Расчет спектральной плотности внутреннего шума NOISE V (13,18) VIN

Поскольку резисторы и объемные сопротивления транзисторов являются источниками теплового шума. Кроме того, полупроводниковые приборы имеют дробовой шум и фликкер-шум. С помощью карты. NOISE на каждой частоте частотного анализа рассчитывается спектральная плотность внутреннего шумового напряжения, которая пересчитывается ко входу цепи и к ее выходу.

3.2.7 Переходный анализ

TRAN / OP 1U 3M

С помощью этой директивы осуществляется расчет отклика цепи на заданное входное воздействие. Ключ ОР необходим для вывода подробной информации о рабочей точке.

3.2.8 Анализ Фурье-гармоник

FOURV(6) V (13,18)

Эта карта выполняет спектральный анализ Фурье.

FOUR V(6) – коэффициент гармоник на входе схемы;

FOUR V (13,18) – коэффициент гармоник на выходе схемы.

3.2.9 Анализ на переменном токе

ACDEC20 1MHZ1MEGHZ

Анализ на переменном токе вычисляет частотную характеристику схемы в широком диапазоне частот. Ключ DEC определяет тип развертки.

20 – количество точек на развертке;

1MHZ – начальная частота;

1MEG – конечная частота.

3.2.10 Печать результатов

PRINT TRAN V(6) V (13,18)

Эта карта позволяет представлять результаты анализа на постоянном и переменном токе, анализ шума и результаты переходного анализа в виде таблиц.

3.2.11 Карта подготовки данных для PROBE

При наличии этой карты программа создает файл данных probe.dat. Программа PROBE является удобным инструментом для настройки «программного макета» схемы.

3.3 Составление загрузочного файла

Загрузочный файл набирается с использованием любого текстового редактора. В данной работе загрузочный файл был составлен непосредственно в программе Pspice AD из пакета OrCAD. Файл должен быть записан с расширением.cir.

Загрузочный файл most.cir см. Приложение 2.

4. Отладка модели схемы

Как оказалось, настройка схемы с помощью потенциометров R1, R21 и R22 является недостаточной, поскольку при оптимальных значениях этих элементов на выходе схемы появляется сигнал с искаженной формой и его коэффициент гармоник значительно превосходит заданный.

Для настройки схемы были изменены параметры резисторов R11 и R12, причем резистором R12 регулируется выходная мощность. Однако с ростом мощности начинается резкое увеличение коэффициента гармоник.

Входной конденсатор С1 задает передний фронт АЧХ. Уменьшив его параметр с 10 мкФ до 2 нФ был настроен необходимый вид АЧХ.

Изменяя емкости С2 и С9 задается задний фронт АЧХ.

Потенциометром R21 был настроен максимальный уровень усиления второго усилителя равный усилению первого.

Проверив все возможные способы настройки схемы не удалось полностью выполнить техническое задание. Однако сравнивая результаты полученные в данной работе с результатами работ выполненных ранее следует отметить уменьшение искажений выходного сигнала, а следовательно и понижения коэффициента гармоник.

5. Анализ результатов машинных расчетов

Выходной файл most.out см. Приложение 2.

5.1 Влияние температуры на работу схемы

Влияние температуры на амплитудно-частотную характеристику можно увидеть в Приложении. Как и ожидалось с ростом температуры происходит увеличение амплитуды сигнала.

Влияние температуры на выходной сигнал можно увидеть в Приложении 1. С ростом температуры Uвых увеличивается не значительно, зато при понижении температуры Uвых значительно падает.

5.2 Спектральная плотность внутреннего шума

В Приложении 1 показан график отношения сигнал-шум на всем частотном диапазоне существования сигнала. На частоте 50 kHz эта зависимость испытывает положительный экстремум и начинает медленно убывать. При приближении частоты к 0.5 kHz отношение сигнал-шум устремляется к бесконечности. Этот график подтверждает теоретические представления о том, что с ростом частоты уровень шумов начинает возрастать и оказывать негативное влияние на качество выходного сигнала.

5.3 Переходная характеристика усилителя

Зависимость выходного напряжения от входного показана в Приложении 1. Из графика видно, что рассматриваемый усилитель является инвертирующим. Амплитуда входного колебания возрастает в 31 раз по сравнению со входным колебанием.